CN112261857A - 一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法，该蜂窝吸波材料通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构后浸胶成型得到，所述基材包括芳纶纸或牛皮纸。制备方法包括：步骤1，使用掺杂有碳纤维的基材进行蜂窝芯的制备，蜂窝芯直接使用或进行后续加工；步骤2，对蜂窝芯浸胶定型；步骤3，将浸胶定型后的蜂窝芯烘干处理，得到蜂窝吸波材料。本发明的蜂窝吸波材料，以含有碳纤维的纸作为原材料，通过制备蜂窝，可以实现良好的吸波性能；该发明具有吸波性能优良、耐环境性良好、质量轻以及可柔性可定型等优点，可用于某些装备的隐身设计。
Description
技术领域
本发明属于蜂窝材料制备及隐身材料技术领域，特别涉及一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法。
背景技术
蜂窝吸波材料具有密度小、大吸收、吸收频带宽及吸波性能可设计性强的特点，同时具有良好的力学性能，可以作为结构件，实现结构吸波一体化，满足工程伪装中工期短、重量轻，伪装效果好的要求。
由于国内生产的蜂窝吸波材料均为浸渍型，各单位生产的吸波蜂窝芯均是先制备蜂窝芯，然后在蜂窝芯表面浸渍吸波涂料制备吸波蜂窝芯；或以蜂窝芯作为匹配层来调节反射率曲线中吸收峰的位置和大小，该方式主要靠蒙皮材料中添加的吸收剂来吸收，是一种混杂结构的吸波材料。以上蜂窝吸波材料的制备方式均会造成材料密度偏大，低频性能难以提高，不利于目前导弹武器对伪装材料轻质化的要求，同时也存在生产工艺繁杂，成本高及制备过程中污染环境等不足。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法，采用碳纤维掺杂纸进行蜂窝制备，制备得到的蜂窝可以依次进行环氧胶浸渍、烘干等过程，最后得到形状固定的蜂窝吸波材料。本发明的蜂窝吸波材料，以含有碳纤维的纸作为原材料，通过制备蜂窝，可以实现良好的吸波性能；该发明具有吸波性能优良、可调节性强、耐环境性良好、质量轻以及可柔性可定型等优点，可以用于某些装备的隐身设计，从而完成本发明。
本发明提供了的技术方案如下：
第一方面，一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法，该蜂窝吸波材料通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构后浸胶成型得到，所述基材包括芳纶纸或牛皮纸，蜂窝芯的孔径边长1～10mm，优选为2～5mm。
进一步地，所述蜂窝吸波材料通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构得到，无需经过浸胶成型。
进一步地，所述碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为1～10mm，优选为2～5mm；碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～15％，优选为0.01％～10％。
进一步地，所述蜂窝吸波材料在高度≤15mm时，其吸波性能为：2-4GHz：≤-5dB；8-12GH：≤-10dB；12-18GHz：≤-8dB。
进一步地，所述蜂窝吸波材料为单层或多层蜂窝吸波材料，其中，多层蜂窝吸波材料在T方向上的吸波性能在设定波段可以呈现单一增强，通过在T方向上将蜂窝芯按照吸波性能渐变的方式堆叠后整体成型制备得到。
第二方面，一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法，用于制备上述第一方面所述的蜂窝吸波材料，包括以下步骤：
步骤1，使用掺杂有碳纤维的基材进行蜂窝芯的制备，蜂窝芯直接使用或进行后续加工；
步骤2，对蜂窝芯浸胶定型；
步骤3，将浸胶定型后的蜂窝芯烘干处理，得到蜂窝吸波材料。
进一步地，该制备方法还包括以下步骤：
步骤4，对步骤1或步骤3得到的蜂窝吸波材料进行吸波性能测试，包括雷达波反射率测试、透过率测试或电磁参数测试中的任意一种或多种；
步骤5，根据蜂窝吸波性能的不同对蜂窝芯进行T方向上的堆叠，再进行多层整体成型得到蜂窝吸波材料
根据本发明提供的一种轻质蜂窝吸波材料及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)蜂窝芯本身不具有吸波性能，一般通过浸渍吸波涂料后才具有吸波效果。蜂窝芯吸波材料的吸波效果主要在于电磁波在蜂窝孔结构间的相互反射，并在蜂窝壁上实现电磁波的衰减，最终实现蜂窝芯吸波材料对电磁波的吸收。相比于将吸波涂料浸渍于蜂窝芯壁上，本发明直接采用含有介电型吸收的短切碳纤维的纸作为蜂窝芯制备的原材料。这样对于吸波蜂窝芯的制备便减少了吸波涂料的浸渍以及烘干等过程，大大缩短了生产周期，简化生产工艺，降低了蜂窝芯质量；
(2)本发明中，蜂窝芯未浸胶定形前由于蜂窝壁中碳纤维的存在，其仍具有吸波性能，且具有一定的柔性，故而可用于对材料力学性能要求不大，可伸展弯曲等场合；同时柔性的蜂窝芯也利于异形结构件吸波产品的生产加工；
(3)吸波蜂窝芯的主要性能在于其中碳纤维的长度及含量，碳纤维的长短及含量会改变蜂窝芯固有的电磁参数，从而导致蜂窝芯吸波性能的差异，如吸收峰不同频段强度等，本发明对碳纤维的长度及含量进行了大量摸索，确定了特定的范围，使得在2～18GHz范围内有较好的吸波效果；
(4)本发明中轻质蜂窝吸波材料的制备方法操作简单、步骤标准，利于推广使用。
附图说明
图1为实施例1选用的碳纤维掺杂芳纶纸的雷达波透过率曲线图；
图2为实施例1制备的蜂窝吸波材料的雷达波透过率曲线图；
图3为实施例1制备的蜂窝吸波材料的电磁参数曲线图；
图4为实施例1制备的蜂窝吸波材料的雷达波吸波性能曲线图；
图5为实施例2选用的碳纤维掺杂芳纶纸的雷达波透过率曲线图；
图6为实施例2制备的蜂窝吸波材料的雷达波透过率曲线图；
图7为实施例2制备的蜂窝吸波材料的电磁参数曲线图；
图8为实施例2制备的蜂窝吸波材料的雷达波吸波性能曲线图；
图9为实施例3制备的蜂窝吸波材料的透过率曲线图；
图10为实施例3制备的蜂窝吸波材料的雷达波吸波性能曲线图；
图11为实施例4制备的蜂窝吸波材料的雷达波吸波性能曲线图；
图12为实施例4制备的蜂窝吸波材料的雷达波吸波性能曲线图；
图13为实施例5制备的蜂窝吸波材料的雷达波吸波性能曲线图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种轻质蜂窝吸波材料，其通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构后浸胶成型得到，所述基材包括芳纶纸或牛皮纸，蜂窝芯的孔径边长1～10mm，优选为2～5mm。
在本发明一种优选实施方式中，该轻质蜂窝吸波材料通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构得到，无需经过浸胶成型。
在本发明一种优选实施方式中，掺杂的碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为1～10mm，碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～15％。
在本发明进一步优选实施方式中，掺杂的碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为2～5mm，碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～10％。
本发明人经过研究发现，碳纤维的尺寸长利于低频吸收，但不利于在基材中的分散，制备得到的蜂窝芯吸波性能不可控，效果较差；碳纤维的尺寸短利于高频吸收，但是需要添加的含量较高，不利于基材成形且在基材中易于团聚，同样使得蜂窝芯吸波性能不可控，效果较差。经过大量研究，确定碳纤维的长度为1～10mm，优选为2～5mm，在2～18GHz范围内有较好的吸波效果。
本发明人经过研究还发现，碳纤维的适量加入均会改善基材的高频和低频吸收，但随着碳纤维含量的持续增加，材料在低频处的吸收性能下降，在高频处的吸收性能改善，若碳纤维的含量过高且高于上述范围的最大值，则在2～18GHz范围内吸波性能差，甚至无吸波性能。在此，限定碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～15％，优选为0.01％～10％，
在本发明一种优选实施方式中，该轻质蜂窝吸波材料为单层或多层蜂窝吸波材料，其中，多层蜂窝吸波材料在T方向上的吸波性能在设定波段可以呈现单一增强，通过在T方向上将蜂窝芯按照吸波性能渐变的方式堆叠后整体成型制备得到。所述T方向为垂直于蜂窝W向和L向所在平面的方向，为本领域公知术语。
根据本发明的第二方面，提供了一种轻质蜂窝吸波材料的制备方法，用于制备第一方面所述的轻质蜂窝吸波材料，包括以下步骤：
步骤1，使用掺杂有碳纤维的基材进行蜂窝芯的制备，蜂窝芯直接使用或进行后续加工；
步骤2，对蜂窝芯浸胶定型；定型胶包括但不限于酚醛树脂、环氧树脂等；
步骤3，将浸胶定型后的蜂窝芯烘干处理，得到蜂窝吸波材料。
在本发明一种优选实施方式中，该制备方法还包括以下步骤：
步骤4，对步骤1或步骤3得到的蜂窝吸波材料进行吸波性能测试，包括雷达波反射率测试、透过率测试或电磁参数测试中的任意一种或多种；
步骤5，根据蜂窝吸波性能的不同对蜂窝芯进行T方向上的堆叠，再进行多层整体成型得到蜂窝吸波材料。
本发明步骤1中，所述基材包括芳纶纸或牛皮纸，蜂窝芯的孔径边长1～10mm，优选为2～5mm。
掺杂的碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为1～10mm，碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～15％。
掺杂的碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为2～5mm，碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～10％。
实施例
实施例1
一种蜂窝吸波材料，其原材料为碳纤维掺杂芳纶，制备得到的蜂窝芯的孔径边长为2.7mm，蜂窝芯高度为15mm。
通过以下制备方法得到：
步骤1，采用掺杂有短切碳纤维的芳纶纸制备蜂窝芯；
步骤2，加工后的蜂窝芯用环氧树脂胶浸渍一遍，然后放置24h；
步骤3，将浸胶成型后的蜂窝在80℃的烘箱进行烘干，时间为4h，然后自然冷却至室温，得到碳纤维掺杂芳纶纸蜂窝吸波材料。
芳纶纸其中碳纤维长度及含量(质量分数)如下所示：
碳纤维长度 2mm；
碳纤维含量 1.8％。
芳纶纸的透过率测如下：测试频率6.0～18.0GHz，透过率平均值：-1.979dB；最大值：-0.439dB；最小值：-3.640dB，其透过率曲线如图1所示。
蜂窝吸波材料的透过率测试如下：测试频率6.0～18.0GHz，透过率平均值：-12.507dB；最大值：-7.569dB；最小值：-16.366dB，其透过率曲线如图2所示。
蜂窝吸波材料的电磁参数如图3所示，线1为材料介电常数，线2为材料介电损耗。
将上述制备的蜂窝吸波材料按照GJB 2038A-2011用弓形法进行测试，测试条件为：水平极化，温度为20℃；其吸波性能如下：2-4GHz：≤-5dB；8-12GH：≤-10dB；12-18GHz：≤-8dB，其吸波性能曲线图如图4所示。
上述制备得到的蜂窝吸波材料，体密度为48kg/m3。
实施例2
一种蜂窝吸波材料，其原材料为碳纤维掺杂芳纶，制备得到的蜂窝芯的孔径边长为2.7mm，蜂窝芯高度为15mm。
通过以下制备方法得到：
步骤1，采用掺杂有短切碳纤维的芳纶纸制备蜂窝芯；
步骤2，加工后的蜂窝芯用环氧树脂胶浸渍一遍，然后放置24h；
步骤3，将浸胶成型后的蜂窝在80℃的烘箱进行烘干，时间为4h，然后自然冷却至室温，得到碳纤维掺杂芳纶纸蜂窝吸波材料。
芳纶纸其中碳纤维长度及含量(质量分数)如下所示：
碳纤维长度 3mm；
碳纤维含量 0.8％。
芳纶纸的透过率测如下：测试频率6.0～18.0GHz，透过率平均值：-2.132dB；最大值：-0.430dB；最小值：-3.807dB，其透过率曲线如图5所示。
蜂窝吸波材料的透过率测试如下：测试频率6.0～18.0GHz，透过率平均值：-15.611dB；最大值：-7.912dB；最小值：-24.888dB，其透过率曲线如图6所示。
蜂窝吸波材料的电磁参数如图7所示，线1为材料介电常数，线2为材料介电损耗。
将上述制备的蜂窝吸波材料按照GJB 2038A-2011用弓形法进行测试，测试条件为：水平极化，温度为20℃；其吸波性能如下：2-4GHz：≤-8dB；8-12GH：≤-10dB；12-18GHz：≤-8dB，与实施例1相比，材料低频吸波性能有所改善，高频吸波性能有所下降，其吸波性能曲线图如图8所示。
上述制备得到的蜂窝吸波材料，体密度为44kg/m3。
实施例3
一种蜂窝吸波材料，其原材料为碳纤维掺杂芳纶，分别制备得到的蜂窝芯的孔径边长为2.7mm和5mm，蜂窝芯高度为15mm。
通过以下制备方法得到：
步骤1，采用掺杂有短切碳纤维的芳纶纸制备蜂窝芯；
步骤2，加工后的蜂窝芯用环氧树脂胶浸渍一遍，然后放置24h；
步骤3，将浸胶成型后的蜂窝在80℃的烘箱进行烘干，时间为4h，然后自然冷却至室温，得到碳纤维掺杂芳纶纸蜂窝吸波材料。
芳纶纸其中碳纤维长度及含量(质量分数)如下所示：
碳纤维长度 3mm；
碳纤维含量 3.0％。
蜂窝吸波材料的透过率测试如下：
孔径边长2.7mm：测试频率6.0～18.0GHz，透过率平均值：-3.50dB；
孔径边长5mm：测试频率6.0～18.0GHz，透过率平均值：-7.611dB，透过率曲线如图9所示，其中VV表示垂直极化，HH表示水平极化。
将上述制备的蜂窝吸波材料按照GJB 2038A-2011用弓形法进行测试，测试条件为：温度为20℃；孔径边长2.7mm材料的吸波性能如下：垂直极化方向上，2-4GHz：≤-0.5dB；8-12GH：≤-4dB；12-18GHz：≤-7dB；水平极化方向上，2-4GHz：≤-2dB；8-12GH：≤-15dB；12-18GHz：≤-12dB；与之相比，孔径边长5mm材料的吸波性能如下：垂直极化方向上，2-4GHz：≤-0.3dB；8-12GH：≤-2dB；12-18GHz：≤-4.5dB；水平极化方向上，2-4GHz：≤-0.65dB；8-12GH：≤-8dB；12-18GHz：≤-15dB。吸波性能曲线图如图10所示，其中VV表示垂直极化，HH表示水平极化。由于蜂窝制备过程中存在的双边问题导致蜂窝芯在水平与垂直极化两方向出现较大的差异，在介电参数较小的方向即垂直极化方向，蜂窝芯孔径边长越小，有利于改善全波段(2～18GHz)的吸波性能；在介电参数较大的方向即水平极化方向，蜂窝芯孔径边长越小，则有利于改善低频处的吸波性能，高频处的吸波性能则有所降低。
上述制备得到的孔径边长为2.7mm的蜂窝吸波材料，体密度为43kg/m3；孔径边长为5mm的蜂窝吸波材料，体密度为50kg/m3。
实施例4
一种蜂窝吸波材料，其原材料为碳纤维掺杂芳纶，制备得到的蜂窝芯的孔径边长为2.7mm，蜂窝芯高度分别为3、5、10、20mm。
通过以下制备方法得到：
步骤1，采用掺杂有短切碳纤维的芳纶纸制备蜂窝芯；
步骤2，加工后的蜂窝芯用环氧树脂胶浸渍一遍，然后放置24h；
步骤3，将浸胶成型后的蜂窝在80℃的烘箱进行烘干，时间为4h，然后自然冷却至室温，得到碳纤维掺杂芳纶纸蜂窝吸波材料。
芳纶纸其中碳纤维长度及含量(质量分数)如下所示：
碳纤维长度 3mm；
碳纤维含量 3.0％。
将上述制备的蜂窝吸波材料按照GJB 2038A-2011用弓形法进行测试，测试条件为：温度为20℃，其吸波性能曲线图如图11及12所示。蜂窝芯高度分别为3mm、5mm、10mm以及20mm。随着蜂窝芯高度的增加材料对电磁波吸收的主要吸收峰会向低频移动，4种高度蜂窝芯的主要吸收峰位置分别为16GHz、9GHz及4GHz，其中20mm蜂窝大吸收峰消失，在测试范围内吸收较为均匀，可能是由于其吸收峰位于低频故未显示；同时几种结构材料对较高频率电磁波的吸收也会不断减小，呈现出越来越平缓的趋势，蜂窝芯高度为10mm时，在8-18GHz处反射率大致未有变化，数值在-7dB与-10dB之间，而20mm时由于材料的主要吸收峰位于小于2GHz处因而在2-18GHz反射率较大，且反射率随频率未有明显变化基本保持在-7dB左右。垂直极化(VV)方向上蜂窝芯反射率的变化规律水平极化(HH)方向类似，但由于该方向上等效电磁参数偏小而使曲线的吸收峰偏向高频，因而20mm高蜂窝芯在2GHz处表现一较为明显的吸收峰。
实施例5
一种蜂窝吸波材料，其原材料为碳纤维掺杂芳纶，制备得到的蜂窝芯的孔径边长为2.7mm。
通过以下制备方法得到：
步骤1，采用掺杂有短切碳纤维的芳纶纸制备蜂窝芯；
步骤2，加工后的蜂窝芯用环氧树脂胶浸渍一遍，然后放置24h；
步骤3，将浸胶成型后的蜂窝在80℃的烘箱进行烘干，时间为4h，然后自然冷却至室温，得到碳纤维掺杂芳纶纸蜂窝吸波材料
步骤4，对得到的蜂窝吸波材料进行吸波性能测试；
步骤5，根据蜂窝吸波性能将碳纤维长度9mm的蜂窝芯铺设在底层，碳纤维长度3mm的铺设其上，进行多层整体成型得到蜂窝吸波材料。
芳纶纸其中碳纤维长度及含量(质量分数)如下所示：
一层
碳纤维长度 9mm；
碳纤维含量 3.0％；
蜂窝高度 4mm；
二层
碳纤维长度 3mm；
碳纤维含量 3.0％；
蜂窝高度 4mm。
对整体成型后的蜂窝吸波材料表面分别有蒙皮(0.5mm玻璃钢)或无蒙皮状态按照GJB 2038A-2011用弓形法进行测试，其吸波性能曲线图如图13所示。
其中，玻璃钢蒙皮加入前后蜂窝吸波性能在垂直极化方向2-4GHz：≤-5dB；8-12GH：≤-10dB；12-18GHz：≤-8dB，水平极化方向2-4GHz：≤-5dB；8-12GH：≤-4dB；12-18GHz：≤-5dB。玻璃钢加入前后对材料反射率无明显变化，本发明中制备的吸波材料可与蒙皮较好的匹配。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，该蜂窝吸波材料通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构后浸胶成型得到，所述基材包括芳纶纸或牛皮纸，蜂窝芯的孔径边长1～10mm。
2.根据权利要求1所述的轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，所述蜂窝吸波材料通过将掺杂有碳纤维的基材加工为蜂窝芯结构得到，无需经过浸胶成型。
3.根据权利要求1所述的轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，所述碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为1～10mm，碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～15％。
4.根据权利要求3所述的轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，所述碳纤维为易于水性分散的短切碳纤维，碳纤维的长度为2～5mm，碳纤维的质量占基材总质量的0.01％～10％。
5.根据权利要求1所述的轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，所述蜂窝吸波材料的蜂窝芯的孔径边长为2～5mm。
6.根据权利要求1所述的轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，所述蜂窝吸波材料在高度≤15mm时，其吸波性能为：2-4GHz：≤-5dB；8-12GH：≤-10dB；12-18GHz：≤-8dB。
7.根据权利要求1所述的轻质蜂窝吸波材料，其特征在于，所述蜂窝吸波材料为单层或多层蜂窝吸波材料，其中，多层蜂窝吸波材料在T方向上的吸波性能在设定波段可以呈现单一增强，通过在T方向上将蜂窝芯按照吸波性能渐变的方式堆叠后整体成型制备得到。
8.一种轻质蜂窝吸波材料的制备方法，用于制备上述权利要求1至7之一所述的蜂窝吸波材料，包括以下步骤：
步骤1，使用掺杂有碳纤维的基材进行蜂窝芯的制备，蜂窝芯直接使用或进行后续加工；
步骤2，对蜂窝芯浸胶定型；
步骤3，将浸胶定型后的蜂窝芯烘干处理，得到蜂窝吸波材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，该制备方法还包括以下步骤：
步骤4，对步骤1或步骤3得到的蜂窝吸波材料进行吸波性能测试，包括雷达波反射率测试、透过率测试或电磁参数测试中的任意一种或多种；
步骤5，根据蜂窝吸波性能的不同对蜂窝芯进行T方向上的堆叠，再进行多层整体成型得到蜂窝吸波材料。
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